碳纳米管导电涂料修订稿
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固化行为对碳纳米管改性环氧树脂导电涂料性能的影响摘要:制备以碳纳米管复合导电云母粉为导电填料、以改性环氧树脂为成膜树脂的大型储备油罐用的涂料。
研究了固化行为对涂料主要力学性能、导电性能、玻璃化温度、交联密度和弹性模量的影响。
结果表明当涂料24℃固化3天时交联密度增大附着力达到最高但下降。
电阻率不稳定。
当涂料24℃固化7天,固化完全,附着力最佳和电阻率稳定。
涂料的交联密度、玻璃温度和弹性模量均不发生变化。
关键词:环氧树脂导电涂料碳纳米管石油储罐多为钢罐,钢铁极易腐蚀,为了延长储罐使用寿命。
必须要对罐体进行保护用使用涂料保护金属油罐是一种经济合理、简便易行的方法。
导电涂料是近20多年来迅速发展起来的一种功能性涂料,应用于石油储运设备,可有效避免由于静电引起的火灾爆炸事故。
导电防腐涂料在油品储罐中是十分重要的。
针对碳纳米管改性环氧树脂导电涂料在大型储备油罐中的特定用途,本文对碳纳米管改性环氧树脂导电涂料的性能进行研究,系统研究了不同固化条件下碳纳米管改性环氧树脂导电涂料玻璃化温度、冲击强度、导电性能、弹性模量的影响。
1 主要原料及测试仪器主要原材料:SUNMIDE390SUNMIDE305TY6606101环氧树脂沈阳红运化工厂E51环氧树脂沈阳红运化工厂KH-550偶联剂沈阳红运化工厂测试仪器:TCS-2000-HC万能试验拉力机高铁仪器有限公司101-3A烘箱上海研润科技有限公司附着力测试上海试验机厂柔韧性测试上海建工仪器公司冲击强度测试上海试验机厂2 导电涂料的制备本研究中碳纳米管改性环氧树脂导电涂料分为A、B两组分A组分为改性的碳纳米管环氧树脂为成膜物的导电物质涂料,B组分为固化剂。
(见图1)将A、B组分按一定比例均匀混合,用稀释剂稀释到合适粘度,用喷涂方式涂布于马口铁板充分固化后,按照GB16906-1997和GB13348要求的国家相应标准进行涂料各项性能的检测。
GR/T 9286-1998测定涂层附着力;GR/T1731-793测定涂层柔韧性;GR/T1732-93测定涂层耐冲击强度;GB/T1763-1979(89)测定涂层耐化学试剂性;以成膜剂、复合导电体系和填料为水平表,以附着力和导电率为观察值确定最佳参数。
碳纳米管导电剂相关演讲碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)作为一种重要的导电剂,在材料科学领域引起了广泛的关注。
本文将从碳纳米管的结构特点、导电性能以及应用领域等方面进行探讨。
一、碳纳米管的结构特点碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米级管状结构材料,具有非常独特的结构特点。
碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotubes,简称SWCNTs)和多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes,简称MWCNTs)两种。
SWCNTs由一个或多个层的碳原子构成,形成一个中空的管状结构。
而MWCNTs则由多个层的碳原子构成,呈现出一种套管状的结构。
碳纳米管的直径通常在纳米级别,长度可以从纳米到微米不等。
二、碳纳米管的导电性能碳纳米管具有优异的导电性能,这主要得益于其特殊的结构和碳原子的高导电性。
由于碳纳米管的直径通常在纳米级别,因此碳纳米管可以被视为一维的导电通道。
这种一维的导电通道使得碳纳米管具有极高的电子迁移率,并且在导电性能上远远优于传统的导电剂。
由于碳纳米管具有高度的柔韧性和可弯曲性,因此可以在柔性电子器件中作为导电剂使用。
这为柔性电子技术的发展提供了重要的支持。
三、碳纳米管导电剂的应用领域碳纳米管作为一种优秀的导电剂,具有广泛的应用前景。
目前,碳纳米管导电剂已经在多个领域得到了应用。
在电子器件领域,碳纳米管导电剂可以用于制备高性能的导电薄膜。
这些导电薄膜可以广泛应用于柔性显示器、柔性太阳能电池、柔性触摸屏等领域,极大地推动了柔性电子技术的发展。
在能源领域,碳纳米管导电剂可以用于制备高效的电池和超级电容器。
由于碳纳米管具有大比表面积和优异的导电性能,能够提高电池和超级电容器的储能性能和充放电速度。
碳纳米管导电剂还可以应用于传感器、催化剂、生物医学等领域。
例如,利用碳纳米管的高导电性和高比表面积,可以制备出高灵敏度的传感器用于气体检测、生物分析等。
碳纳米管导电涂料的导电机理及影响因素王娴【期刊名称】《上海涂料》【年(卷),期】2012(050)009【摘要】碳纳米管是一种纳米级无缝管状结构碳材料,具有优异的机械性能及独特的电学性能。
它作为填料,加入到涂料中能极大地改善涂料的力学性能和电学性能。
分析了碳纳米管导电涂料的导电机理、影响因素以及研究趋势。
%The carbon nano-tube was a kind of nano-scale seamlessly tubular structure carbon materials. It possessed excellent mechanical electrical properties of the condu prop ctive erties and distinctive electrical properties. The mechanical properties and coatings were greatly improved by using the carbon nano-tube as filler. The conductive mechanisms, influencing factors and development trend of the carbon nano-tube conductive coatings were analyzed.【总页数】4页(P40-43)【作者】王娴【作者单位】西安市环境监理处,陕西西安710068【正文语种】中文【中图分类】TQ342【相关文献】1.基于数值模拟的碳纳米管水泥基复合材料导电机理分析∗ [J], 董素芬;张立卿;李祯;姜海峰;韩宝国2.高分子复合导电涂料导电机理研究 [J], 莫斌;刘祥萱;吴友朋3.碳纳米管/水泥基复合材料导电机理的研究 [J], 刘小艳;许悦;刘磊4.导电涂料的导电机理 [J], 吕月仙5.碳纳米管在导电涂料中的应用研究——(Ⅰ)碳纳米管对导电涂料导电性的影响[J], 冯永成;瞿美臻;周固民;张伯兰;于作龙因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
碳纳米管导电涂料 The manuscript was revised on the evening of 2021碳纳米管导电涂料简介:碳纳米管(CNT)具有优异的力学、电学、光学等性能,骨架结构中含有sp3和sp2杂化的碳原子,且在其边壁和端帽部分存在大量结构缺陷,可与电子给体和电子受体发生掺杂。
故碳纳米管以其独特的结构和电子特性的纳米尺寸的碳质管状物引起了全球物理、化学和材料等科学界的重视。
碳纳米管作为一种新型的纳米材料,其奇异的性质倍受青睐。
碳纳米管具有良好的导电性,同时又拥有较大的长径比,因而很适合做导电填料,相对于其它金属颗粒和石墨颗粒其很少的用量就能形成导电网链,且其密度比金属颗粒小得多,不易因重力的作用而聚沉。
利用碳纳米管的这些特性将其作为导电介质加入到涂料中,对涂料的导电性会产生强烈影响。
目前,碳纳米管在导电涂料中的应用研究主要是通过改变碳纳米管的的结构及含量,改进碳纳米管在导电涂料中的分散性,以及对碳纳米管进行表面处理来均衡东电涂料的导电性和其他各项性能。
碳纳米管的结构:碳纳米管是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管(原子排列结构见图1)。
按照所含石墨片层数的不同,碳纳米管可以分成单壁碳纳米管(Single-wallednanotubes,SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-wallednanotubes,MWNTs)。
其中,SWNTs由一层石墨片组成;MWNTs由多层石墨片组成,形状与同轴电缆相似(剖面结构见图2)。
碳纳米管的性能:碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构,具有优异的物理化学性能。
一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点;较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性;直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性;独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。
第2O卷第2期高分子材料科学与工程VOl.2O9NO.22OO4年3月POLYMER MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Mar.2OO4碳纳米管在导电涂料中的应用研究D碳纳米管对导电涂料导电性的影响冯永成9瞿美臻9周固民9张伯兰9于作龙中国科学院成都有机化学研究所9国家纳米科学中心9四川成都61OO41D摘要2简述了导电涂料的用途和碳纳米管这种新型功能碳材料作为导电涂料导电介质的一些优点9研究了碳纳米管的管径9长径比9分散度以及用量对导电涂料导电性的影响O关键词2碳纳米管9导电涂料9体积电阻率9抗静电9逾渗中图分类号2TB383文献标识码2A文章编号21OOO-7555 2OO4D O2-O133-O3导电涂料是具有一定的传导电流和消散静电荷能力的功能性涂料9按其组成及导电机理可分为两大类2结构型本征型D导电涂料和复合型添加型D导电涂料9目前实际应用得较多的是复合型导电涂料9它是利用导电填料来实现导电的9其导电机理比较复杂9目前比较一致的看法主要是导电填料相互接触形成连续网链9载流子可在网链上运动9从而使涂层导电[1]O导电涂料的主要用途是抗静电ESD D~电磁波屏蔽EMI D和作为电加热体9其中抗静电涂料是目前所有导电涂料中应用最为广泛的一类[2]O导电填料是添加型导电涂料的重要组成部分9也是导电涂料所需研究的重点9常用的导电填料包括碳系填料~金属系填料~金属氧化物系填料和复合系填料O本文主要研究一种新型的碳材料碳纳米管CNTS D作为导电填料在导电涂料中的应用O碳纳米管自1991年被日本NEC的电镜专家饭岛Iijima D教授首先发现以来[3]9短短十几年之间9这种纳米尺寸的炭质管状物就引起了全球性物理~化学和材料等科学界的广泛兴趣[495]O由于碳纳米管的特殊结构和优异的力学~电学和光学性能以及其潜在的工业价值9使其逐渐成为化学~物理和材料等学科领域的研究热点9有人甚至将它誉为~21世纪的黑色钻石O由于碳纳米管具有很好的导电性9同时又拥有较大的长径比9因而很适合做导电填料9相对于其它金属颗粒和石墨颗粒9用很少的量就能形成导电网链9且其密度比金属颗粒小得多9不易因重力的作用而聚沉O本文正是利用碳纳米管的这些特性将其作为导电介质加入到涂料中9就碳纳米管本身的一些特性对涂料导电性的影响加以讨论O1实验部分1.1实验方法实验所用的碳纳米管为本课题组及深圳纳米港有限公司用催化气相沉积法CCVD D生产的多壁碳管9将碳纳米管用热的浓硝酸进行纯化和表面处理9然后对其进行球磨截断处理9接着将处理好的碳纳米管加入E-51环氧树脂中9加入分散剂后用溶剂稀释9超声振荡1h9然后加入一定比例的固化剂9再用超声波振荡O.5h9最后在聚酯膜样板上涂膜9待完全固化后测其电阻率O碳纳米管的截短情况和在涂料中的分散情况用透射电子显微镜进行表征O 1.2实验仪器GM-1F球磨机9KG-1OO DB型数控超声波收稿日期22OO3-1O-14基金项目2国家863计划资助项目 2OO2AA3O2615D作者简介2冯永成 1972-D9男9博士生.E-mail2fengyc66@清洗器;MF50万用表;HZ2513型高阻仪;WS-RTG330表面电阻测试仪;JEM-100CX透射电子显微镜;LKB-V超薄切片机;HITACHI H-600透射电子显微镜等OFig.1tEM images of the CNtsa,raw CNTs;b,CNTs treated by ball milled for1.5h;c,CNTs dispersed in conductive coatings.Fig.2Ef f ects of the diameter of CNts on the volume resistance of conductive coatings2结果与讨论2.1碳纳米管的分散好坏对导电涂料导电性的影响分别取两个相同量(0.5%)的同种碳纳米管(10nm~30nm)试样一个经过球磨和加偶联剂等处理后加入到环氧树脂中超声分散1 h加入固化剂后继续超声0.5h最后涂膜待完全固化后测其电阻值碳钠米管的透射电镜照片见Fig.1;另一个不做任何表面处理直接将碳纳米管试样加入到环氧树脂中经过简单的机械搅拌后制成涂料待完全固化后测其电阻值结果前者为2>107-cm后者为3.2> 109-cm相差了两个数量级这是由于前者分散较好碳纳米管在环氧树脂基材中形成的导电通路较多所以导电性较好其分散情况见Fig.1(c)Fig.1(c)为分散较好的碳纳米管导电涂料超薄切片透射电镜图O2.2碳纳米管的管径对导电涂料导电性的影响取一系列不同管径的碳纳米管做导电填料用2.1中的分散方法在相同配比条件下(CNTs=E-51环氧树脂=JA-1固化剂(质量比)为1=5= 1 常温固化)制备涂料并涂膜待完全固化后分别测定它们的体积电阻率结果见Fig.2O由Fig.2可知涂料的体积电阻率随碳纳米管的管径的增大而增大亦即涂料的导电性随碳纳米管的管径增大而降低O这是因为相同质量的碳纳米管中碳纳米管的管径越细其管数就越多在添加到导电涂料中形成导电网链时互相接触的机会就越多从而形成的导电通路也就越多导电性自然就越好OFig.3the curve of length-diameter ratio of CNts ver-sus the time of ball milled2.3碳纳米管的长径比对导电涂料导电性的影响通过改变同一管径碳纳米管的长度来获取不同长径比O取10nm~30nm的碳纳米管进行球磨截短碳纳米管的长径比与球磨时间的关系见Fig.3 由Fig.3可知碳纳米管的球磨时间越长长径比越小因为球磨时间越长碳纳米管被截得越短其长径比自然就越短O然后分别用这些截短了的碳纳米管作导电填料制成涂料(CNTs=E-51环氧树脂=JA-1固化剂(质量比)为0.5=5= 1 常温固化)待完全固化后测其导电性以体积电阻率的对数与碳纳米管长径比的关系作图其结果见Fig.4O由Fig. 4可知当碳纳米管长径比约为250时其涂料导电性最好当长径比小于250时涂料导电性随长径比的增大而增强;当长径比大于250时涂料导电性随长径比的增大而减弱O这是因为431高分子材料科学与工程2004年碳纳米管长径比过小( 250)时同等条件下长径比越小越不易形成导电网络这也是通常情况下球状导电填料不如片状或线状填料好的原因;当碳纳米管长径比过大( 250)时长径比越大碳纳米管越易相互缠绕就越难在基质材料环氧树脂中均匀地分散也就越难形成良好的导电网络o因此碳纳米管做导电填料的最佳长径比约为250 对应的球磨时间为l.5h (见Fig.3)其电子显微镜照片见Fig.l(b)oFig.4Eff ects of the length-diameter ratio of CNts on the the volume resistance of conductive coatingsFig.5Ef f ects of the CNts concentration on the the vol-ume resistance of conductive coatings2.4碳纳米管的含量对导电涂料导电性的影响取l0nm~30nm的碳纳米管用球磨~超声分散加入偶联剂等方法使碳纳米管均匀分散在环氧树脂中制得一系列不同百分含量的碳纳米管导电涂料待完全固化后分别测其体积电阻率以体积电阻率的对数对碳纳米管的质量百分含量作图结果见Fig.5o由Fig.5可知总的趋势是碳纳米管的含量越高其体积电阻率越小导电性越好o从Fig.5还可看到在碳纳米管含量为0.5%时曲线出现了一个拐点这说明有逾渗现象(亦称渗流作用)存在[6 7]其逾渗阈值(和渗流临界值)为0.5%o可解释为0.5%为一临界值当碳纳米管的含量小于0.5%时碳纳米管在涂料中不易形成导电通路只有当碳纳米管的含量大于或等于0.5%这一临界值时才能形成较好的导电通路o Fig.5中碳纳米管含量为0.5%~8%时涂料处于抗静电区域;碳纳米管含量大于8%时涂料处于导电区域o3结论(l)碳纳米管作为导电涂料的导电介质时其管径越小所制得的导电涂料导电性越好o(2)碳纳米管作为导电涂料的导电介质的最佳长径比约为250o当碳纳米管长径比大于250时所制得的涂料导电性随长径比的增大而减小;当碳纳米管长径比小于250时所制得的涂料导电性随长径比的增大而增大o(3)一般地碳纳米管的含量越高所制得的涂料导电性越好o当碳纳米管的含量大于或等于0.5%(逾渗阈值)时碳纳米管在环氧树脂中分散得越好其涂料导电性越好o参考文献:[l]吕月仙(LV Xue-xian).华北工学院学报(Journal of North China Institute of technology)l998 l9(4):329~332.[2]张兴义(Z~ANG Xing-yi).电机电器技术(Dianji Dian-gi Jishu)2000 (3):33~36.[3]Iijima S.Nature l99l354(6348):56~58.[4]Ajayan P M.Chem.Rev.l999 99:l787~l799.[5]杨全红(YANG@uan-hong)刘敏(LI U Min)成会明(C~E NG~ui-ming)等.材料研究学报(Chinese Jour-nal of Materials Research)200l l5(4):375~386. [6]Vilca k ova J Saha P@ua d rat O.E uro p ean PolymerJournal2002 38:2343~2347.[7]刘国杰(LI U Guo-jie)主编.现代涂料工艺新技术(Xi-an d ai tuliao Gongyi Xinjishu).北京:中国轻工出版社(B eijing:Chinese Light In d ustry Publishing Com p any)2000 4.(下转第l39页o to be continue d on P.l39)53l第2期冯永成等:碳纳米管在导电涂料中的应用研究(I)碳纳米管对导电涂料导电性的影响[4]GOperferich A Peter S J Luche A et al .J .BiOmed .Mater .Res . 1999 47:390*398.[5]Barrera D A Zylstra E Lansbury P T et al .J .Am .Chem .SOc . 1993 115:11010*11011.[6]Cai K Y YaO K D Lin S B et al .BiOmaterials 2002 53:1153*1160.[7]uirk R A Chan W C DaVies M C et al .BiOmateri-als 2001 22:865*872.[8]Wang L Ma W GrOss R A et al .POlym .Degrad .Stab . 1998 59:161*168.[9]Nijenhuis A J COlstee E Grijpma D W et al .POymer1996 37:5849*57.[10]Gajria A M DaV V McCarthy S P et al .POlymer 1996 37:437*444.[11]Martin O AV rOus L .POlymer 2001 42:6209*6219.[12]Park J W Im S S .POly .Eng .Sci . 2000 40:2539*2550.[13]~Olley F J RefOjO M F .J .BiOmed .Mater .Res . 1975 9:315*326.[14]Yasuda T OkunO T Yasuda ~.Langmuir 1994 10:2435*2439.MORPHOLOGY AND STRUCTURE OF POLY ( LACTICACID D /GELATIN BLEND MEMBRANESLIU Wen -guang Z~AO XiaO -dOng YAO Kang -de(R e S ea LCh 1nS t z t ~te of Po l ym e L M ate Lz al S Tz a njzn UnzU e LSz t y Tz a njzn 300072 Chzn a D ABSTRACT :DMSO W as selected as cO -sOlVent Of PLLA and gelatin .PLLA and gelatin W ere suc-cessfully blended W ith sOlutiOn casting methOd and scanning electrOn micrOscOpy measurement indicated that the si Z e Of phase separatiOn Of PLLA /gelatin blending films is in the range Of seVer-al nanOmeters .The glass transitiOn temperature Of PLLA changes frOm 56 tO 38 .It is ar-gued that the incOrpOratiOn Of gelatin dOes nOt affect the crystalline behaViOr Of PLLA .When gelatin cOntent is less than 5 blending films nOt Only retains a gOOd mechanical prOperty but alsO imprOVes the hydrOphilicity Of PLLA .Keywords :pOly (L -lactic acid D ;gelatin ;blend(上接第135页O cOntinued frOm p .135DSTUDY OF THE CARBON NANOTUBES APPLICATIONTO CONDUCTI V E COATINGS(I D EFFECTS OF THE CARBON NANOTUBES ON THE ELECTRICALCONDUCTI V ITY OF CONDUCTI V E COATINGSFENG YOng -cheng U Mei -Z hen Z~OU Gu -min Z~ANG BO -lan YU ZuO -lOng(Ch e ngd~1nS t z t ~te of OLg a nzC Ch e mzS t Ly Chzn e S e AC a d e my of SCz e nC e S N at zon al C e n te L foL N a noSCz e nC e a nd N a no te Chno l ogy Ch e ngd~610041 Chzn a DABSTRACT :SOme functiOns Of cOnductiVe cOatings W ere intrOduced and the merits Of carbOn nanOtubes (CNTs D One Of ne W functiOnal carbOn materials applied tO cOnductiVe cOatings as cOnductiVe fillers W ere illuminated .It W as studied in detail hO W the characteristics Of CNTs such as tube diameter length -diameter ratiO dispersiOn and effect Of cOncentratiOn On the electrical cOnductiVity Of cOnductiVe cOatings .Keywords :carbOn nanOtubes ;cOnductiVe cOatings ;VOlume resistance ;antistatic ;percOlatiOn931第2期刘文广等:聚乳酸/明胶共混膜的形态和结构碳纳米管在导电涂料中的应用研究--(Ⅰ)碳纳米管对导电涂料导电性的影响作者:冯永成, 瞿美臻, 周固民, 张伯兰, 于作龙作者单位:中国科学院成都有机化学研究所,国家纳米科学中心,四川,成都,610041刊名:高分子材料科学与工程英文刊名:POLYMER MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING年,卷(期):2004,20(2)被引用次数:18次1.吕月仙查看详情 1998(04)2.张兴义导电涂料国内外的发展概况[期刊论文]-电机电器技术 2000(03)3.Iijima S查看详情 1991(6348)4.Ajayan P M查看详情[外文期刊] 19995.杨全红;刘敏;成会明纳米碳管的孔结构、相关物性和应用[期刊论文]-材料研究学报 2001(04)6.Vilcakova J;Saha P;Quadrat O Electrical conductivity of carbon fibres/polyester resin composites in the percolation threshold region[外文期刊] 2002(12)7.刘国杰现代涂料工艺新技术 20001.范凌云.蔡永明.沈晓冬.崔升.袁林生.FAN Ling-yun.CAI Yong-ming.SHEN Xiao-dong.CUI Sheng. YUAN Lin-sheng丙烯酸酯/碳纳米管导电涂料的制备及其性能研究[期刊论文]-材料开发与应用2006,21(2)2.周如东.吴璇.张荣伟.陆文明.陆梦南碳纳米管在涂料中的应用研究概况[期刊论文]-上海涂料2009,47(1)3.毛蕾蕾.Mao Leilei碳纳粹管涂料的研究进展[期刊论文]-中国涂料2008,23(9)4.喻冬秀.陈明涛.程江.杨卓如.Yu Dongxiu.Cheng Mintao.Cheng Jiang.Yang Zhuoru碳纤维体系导电涂料的制备工艺[期刊论文]-化工新型材料2007,35(11)5.武俐明.苏勋家.侯根良.贾海鹏.WU Li-ming.SU Xun-jia.HOU Gen-liang.JIA Hai-peng炭系导电涂料的研究进展[期刊论文]-热固性树脂2008,23(5)6.傅敏导电涂料以及导电材料在导电涂料中的应用发展概况[期刊论文]-涂料技术与文摘2006,27(2)7.杨超.王云普.郭金山.刘汉功.田震坤.Yang Chao.Wang Yunpu.Guo Jinshan.Liu Hangong.Tian Zhenkun环境友好型氟碳导电涂料的研究[期刊论文]-涂料工业2007,37(z1)1.赵德旭.李巧玲.叶云锶铁氧体包覆碳纳米管复合材料的研究[期刊论文]-化工新型材料 2010(6)2.曹素芝.孙晓刚.曾效舒高速剪切对碳纳米管/环氧树脂复合材料导电性能的影响[期刊论文]-机械工程材料 2008(6)3.钟庆东.杭建忠.张文涛.施利毅.袁理.郦希导电涂料研究进展[期刊论文]-上海电力学院学报2005(2)4.李留东.董存峰.杨茂伟.狄志刚.付敏抗静电涂料的抗静电机理探讨[期刊论文]-涂料技术与文摘。
碳纳米管导电涂料 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-
碳纳米管导电涂料
简介:
碳纳米管(CNT)具有优异的力学、电学、光学等性能,骨架结构中含有sp3和sp2杂化的碳原子,且在其边壁和端帽部分存在大量结构缺陷,可与电子给体和电子受体发生掺杂。
故碳纳米管以其独特的结构和电子特性的纳米尺寸的碳质管状物引起了全球物理、化学和材料等科学界的重视。
碳纳米管作为一种新型的纳米材料,其奇异的性质倍受青睐。
碳纳米管具有良好的导电性,同时又拥有较大的长径比,因而很适合做导电填料,相对于其它金属颗粒和石墨颗粒其很少的用量就能形成导电网链,且其密度比金属颗粒小得多,不易因重力的作用而聚沉。
利用碳纳米管的这些特性将其作为导电介质加入到涂料中,对涂料的导电性会产生强烈影响。
目前,碳纳米管在导电涂料中的应用研究主要是通过改变碳纳米管的的结构及含量,改进碳纳米管在导电涂料中的分散性,以及对碳纳米管进行表面处理来均衡东电涂料的导电性和其他各项性能。
碳纳米管的结构:
碳纳米管是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管(原子排列结构见图1)。
按照所含石墨片层数的不同,碳纳米管可以分成单壁碳纳米管(Single-wallednanotubes,SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-wallednanotubes,MWNTs)。
其中,SWNTs由一层石墨片组成;MWNTs由多层石墨片组成,形状与同轴电缆相似(剖面结构见图2)。
碳纳米管的性能:
碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构,具有优异的物理化学性能。
一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点;较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性;直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性;独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。
此外,碳纳米管还具有独特的光学性能,良好的热传导性,极高的耐酸、碱性和热稳定性。
碳纳米管的导电机理:
以加溴多壁碳纳米管微观体系模型来研究溴对多壁碳纳米管的作用及导电机理。
溴在多壁碳纳米管上的作用主要体现在对多壁碳纳米管π电子云的影响。
多壁碳纳米管上的π电子与溴的p孤对电子形成p-π共轭,由于溴的诱导效应,使多壁碳纳米管内的电子云偏向溴,类似于分子的偶极化,多壁碳纳米管出现电子离位而产生穴载流子,同时吸引出的电子仍具有一定的自由移动能力,整个体系的载流子数目(自由电子与窄穴)增多,载流子的浓度增大,提高了多壁碳纳米管的导电性。
图3Ⅰ为加溴前的多壁碳纳米管以及单质溴分子体系模型,管内的黑点代表自由电子,分布于管壁之间;图3Ⅱ代表溴的吸附过程模型;图3Ⅲ为加溴多壁碳纳米管的共轭体系模型。
碳纳米管导电涂料的影响因素:
碳纳米管的分散性
碳纳米管具有极大的比表面积,很容易聚集,因此未经分散处理的商品碳纳米管缠绕成微米级大小的团状结构,须细化处理,以使碳纳米管微米团分散。
处理后的碳纳米管在基体材料中形成的导电通路较多,所以导电性较好。
碳纳米管越稳定,团聚现象越少,纳米碳管间分散性较好,在基体材料中相互交缠,形成良好的空间网络,因而沉降比小的纳米碳管能在涂料表面形成较好的网络通道,有利于提高其导电性。
碳纳米管的管径
涂料的体积电阻率随碳纳米管管径的增大而增大,亦即涂料的导电性随碳纳米管管径的增大而降低。
这是因为相同质量的碳纳米管中,碳纳米管的管径越细,其管数就越多,添加到导电涂料中形成导电网链时,互相接触的机会就越多,从而接触的机会就越多,从而形成的导电通路也就越多,导电性自然也就越好。
碳纳米管的含量
碳纳米管的含量越高,其体积电阻率越小,导电性越好。
在碳纳米管含量为某一值时,出现逾渗现象(亦称渗流作用),即逾渗阈值(渗流临界值)。
当碳纳米管的含量小于逾渗阈值时,碳纳米管在涂料中不易形成导电通路,只有当碳纳米管的含量大于或等于逾渗阈值时才能形成较好的导电通路。
碳纳米管的长径比
当碳纳米管的长径比约为250时,其涂料的导电性最好;当长径比小于250时,涂料的导电性随长径比的增大而增强;当长径比大于250时,涂料导电性随长径比的增大而减弱。
这是因为碳纳米管长径比过小(小于250)时,同等条件下长径比越小越不易形成导电网络,这也是通常情况下球状导电填料不如片状或现状填料导电性好的原因;当碳纳米管长径比过大(大于250)时,长径比越大,碳纳米管越易相互缠绕,就越难在基质材料中均匀的分散,也就越难形成良好的导电网络。